一、技术简介 

1、镁基固态储氢材料储氢原理 

 储氢合金具有特定的原子结构规则排布，而其晶格间隙则可作为空位储存氢原子。在一定温度和氢气压力条件下，储氢材料能够大量“吸收”氢气，即与氢反应生成金属氢化物，同时放出热量。加热时，金属氢化物又会分解并将储存的氢释放出来。氢气的“吸收”和“释放”过程是可逆的，可以重复循环进行。对于镁基储氢合金，其主要成分Mg与氢气发生的反应如下式所示： 

 （1） 镁合金中的镁，一般在200℃和1 MPa以上条件下快速吸氢，在氢在镁晶体的空位中达到氢饱和浓度时，发生式（1）的相变反应，生成MgH2。在300~400℃和低压（0.1~0.6MPa）条件下，MgH2快速热分解成Mg和H2，释放出储存的氢气。 

 图1 镁基固态储氢材料吸放氢原理 

 2、镁基固态储氢材料简介 

 镁基储氢材料具有质量和体积储氢密度高（5.5~7.6wt.%，~110g/L），可常温常压储运氢气，安全高效，具有一定氢气纯化功能，我国镁资源丰富等优点，被认为是氢气规模存储及纯化的储氢介质。目前，上海交通大学已开发出多种质量储氢容量≥6.5 wt.%的镁基储氢材料（如图2所示），其中高纯氢化镁纯度可达99%，多孔块体镁基储氢合金材料免活化且首次吸氢量可达6.8wt%以上，材料加速循环>3000次容量衰减<8%，1500次满充放循环容量衰减<5%，并对CO和H2S等杂质气体存在一定的纯化能力，放氢纯度达到99.999%以上。同时，上海交通大学已与氢枫能源、宝武镁业、镁源动力等合作建立年产量100吨的多孔镁基储氢合金，目前正在扩产至1000吨/年；年产10吨的氢化镁生产线，为镁基固态储运氢应用打下基础。 

 图2 镁基固态储氢材料及其生产线 

 3、镁基固态储运氢技术应用 

 （1）镁基固态储运氢装置原型试验 

 装置装填约1175 kg的多孔块体镁基储氢材料，采用电加热油炉加热升温吸放氢。单个装置的吸放氢曲线如图3所示。单罐储氢量可达75.316 kg，平均储氢速率8.5 kg/h，平均放氢速率7.36 kg/h，单罐容积体积储氢密度54.34 kg/m3。

 图3 镁基固态储氢罐体原型及性能测试 

 2021年，团队与宝武清洁能源有限公司合作，开发了“太阳能发电制氢-镁基固态储氢-高压加氢”的“制-储-加氢”一体化撬装式设备，可为园区氢燃料电池叉车进行加氢。该设备目前正在宝武进行示范运行，运行状态良好，验证了镁基固态储运氢技术与可再生能源发电制氢技术耦合的可行性。电解水制氢产生的1~1.4MPa的氢气在除水后，可直接为镁基固态储氢装置供氢，无需增压。 

 图4 宝武集团“氢行者”制-储-加氢一体化撬装式设备 

 （2）吨级镁基固态储运氢车 

 团队解决了高温导热油加热镁基固态储氢罐实现低能耗可控放氢的工程问题，优化装置内的导热油管分布和运行参数，与氢枫能源合作开发了全球首个吨级镁基固态储运氢装置，并首批正式交付使用3台。该装置为槽罐式，20尺集装箱大小，罐体总重约30吨，其中装填镁合金材料15.6吨，测试储氢量达到1005kg。该装置可装在重卡上运输，将单车运氢量从主流20MPa高压长管拖车的300kg大幅提升到吨级以上，且可常温低压存储和运输氢气，具有安全性高的特点。目前，该装置已获船级社罐式集装箱认证，可用于加氢站、氢冶金、氢化工、氢储能等领域的氢气规模储存与运输。 

 图5 吨级镁基固态储运氢车 

 （3）高能量密度氢化镁燃料电池备用电源 

 基于水解释氢的氢化镁，结合风冷宽温燃料电池，开发了高能量密度氢化镁燃料电池备用电源（图6）。该电源可在-40℃～55℃温度内工作，实现50小时（60W）以上的持续供电，能量密度达到450Wh以上，目前已实现批量交付使用。通过进一步的开发，可作为水下潜航器和无人机的电源。应用方面，已为神华集团开发了200W的矿井用备用电源，可持续工作100小时以上。 

 图6 高能量密度氢化镁燃料电池备用电源 

 图7 神华集团的200W氢化镁燃料电池备用电源 

二、技术优势 

本团队开发的镁基固态储氢材料与装置，储氢材料质量储氢密度>6.8wt%，储氢罐单体储氢量1005kg，而国外同类领先水平的法国McPhy公司的镁基固态储氢材料质量储氢密度仅为6wt%，储氢罐单体储氢量4.5kg，单个装置的设计储氢量150 kg，远低于本项目开发的镁基固态储运氢技术。此外，开发的吨级镁基固态储氢装备，通过了船级社罐式集装箱认证，可用于氢气海上规模运输。 

 图8 镁基固态储运氢技术与国外McPhy公司技术的比较 

三、应用领域 

 镁基固态储运氢技术可应用于氢冶金、氢交通、氢储能、氢化工等领域的氢气规模高效高安全储存与运输。 

四、技术水平 

国际领先水平。 

五、技术成熟度 

TRL7，已完成系统验证，并在示范应用阶段。 

六、技术负责人 

邹建新，上海交通大学材料科学与工程学院特聘教授、教育部长江学者、氢科学研究所副所长、国家重点研发计划首席科学家、英国皇家化学会会士、国际先进材料学会会士。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，在Science，Adv Mater等国际知名期刊上发表SCI收录论文180余篇，已授权国内国际发明专利26项，曾获中国有色金属工业技术发明一等奖，国际镁业协会未来技术奖，上海市技术发明二等奖，国际镁科学与技术学会年度产品奖，国际能源署Hydrogen TCP奖等。